I ricercatori della scienza dei materiali della Northwestern Engineering hanno scoperto nuove intuizioni su come le interazioni elettrostatiche possono essere regolate per ottenere e controllare strutture cocleate simili a rotoli, che potrebbe informare su come catturare e rilasciare macromolecole in modo selettivo per dimensione come parte delle future strategie di somministrazione di farmaci.

Molecole cariche, come DNA e proteine, sono presenti in tutti i sistemi biologici. Membrane, un doppio strato di queste molecole lipidiche cariche, sono usati per compartimentare la materia in una varietà di forme strutturali, dalle vescicole sferiche ai nanonastri elicoidali ai cocleati.

"In biologia, le molecole assumono la forma di molte forme coesistenti. Alcuni sono decisi in base alle variazioni poste su di essi, come le concentrazioni di pH o sale, " disse Monica Olvera de la Cruz, Avvocato Taylor Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering.

"Utilizzando una semplice biomolecola carica, abbiamo mostrato come l'interazione tra elettrostatica, elastico, e le energie interfacciali possono portare a polimorfismi strutturali, o coesistenza di più forme. Mentre strutture cocleate sono state osservate in altri sistemi, l'intero percorso per la loro formazione non era stato spiegato, " lei ha aggiunto.

I risultati del team sono stati pubblicati in un documento, intitolato "Controllo elettrostatico della forma di una membrana molecolare carica da nastro a scorrimento, " il 14 ottobre in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Olvera de la Cruz era l'autore corrispondente dello studio insieme a Michael Bedzyk, professore di scienze e ingegneria dei materiali.

Utilizzando una combinazione di tecniche di microscopia e diffusione di raggi X a piccolo e ampio angolo, il team ha studiato i cambiamenti nella forma della membrana di una molecola anfifilica carica chiamata C16-K1, composto da una testa idrofila di un singolo amminoacido e da una coda idrofobica lunga 16 atomi di carbonio. Una soluzione a base di sale ha vagliato la carica del gruppo di testa della membrana, consentendo ai ricercatori di controllare la gamma di interazioni elettrostatiche.

"Abbiamo ripetuto le molecole C16-K1 in un modo 2-D cristallino, e ogni molecola portava una particolare chiralità sinistra o destra, o orientamento geometrico, " disse Bedzyk. "Se la forza ionica era abbastanza forte, ha fatto sì che la membrana passasse da un nastro piatto con un ampio rapporto lunghezza-larghezza a un rapporto di aspetto uniforme. Man mano che aumentavamo ulteriormente la concentrazione di sale, i doppi strati si sono trasformati in fogli e si sono arrotolati per formare questa struttura cocleare."

Il team si è quindi rivolto alla modellazione teorica per convalidare i propri esperimenti. Hanno scoperto che la trasformazione della membrana in un cocleato potrebbe essere attribuita a due fattori:le interazioni elettrostatiche e l'energia elastica, che include la flessione causata dalla chiralità e dall'inclinazione delle molecole, determinando una curvatura naturale del doppio strato.

"Le disposizioni cristalline per molecole come queste hanno una curvatura naturale rispetto alla loro forma. Volevamo imparare come l'inclinazione molecolare si allinea con la direzione di rotolamento della struttura coclea, " ha detto Olvera de la Cruz. "È simile a se metti due viti una accanto all'altra, avrebbero bisogno di essere inclinati per far entrare le scanalature di uno nell'altro. Se ne hai un gran numero in una disposizione cristallina, il modo migliore per farlo è arrotolare l'intera membrana."

Il team è stato in grado di abbinare l'analisi teorica a queste osservazioni sperimentali. "La spaziatura in queste strutture simili a volute ha una relazione molto definita con il sale, che consente il controllo della distanza che separa i doppi strati, " disse Sumit Kewalramani, un professore assistente di ricerca in scienza e ingegneria dei materiali e co-primo autore dello studio.

La capacità di controllare e regolare la separazione tra i doppi strati di queste molecole potrebbe aprire la strada alla cattura e al rilascio controllati di macromolecole e nanoparticelle per applicazioni di somministrazione di farmaci.

"Controllando come le membrane sono distanziate, potremmo essere in grado di intrappolare molecole specifiche, " Kewalramani ha detto. "Questa funzionalità e controllo potrebbero essere utilizzati per intrappolare e rilasciare molecole per la somministrazione di farmaci. A seconda della concentrazione di sale, potremmo intrappolare particolari tipi di molecole o rilasciarle da qualche altra parte".

Il lavoro del team potrebbe anche informare studi futuri che esplorano ulteriormente la relazione tra la forma degli assemblaggi biomolecolari e le proprietà molecolari, come carica e chiralità, che potrebbero ispirare modelli teorici più dettagliati per lo studio delle trasformazioni morfologiche negli assemblaggi cristallini.

"Mentre queste molecole si stanno tutte assemblando in forme diverse, tutti coesistono e si relazionano tra loro mediante transizioni di fase del primo ordine, " Bedzyk ha detto. "Comprendere i meccanismi di transizione consentirà un maggiore controllo sulle forme - e quindi sulla funzione - delle strutture autoassemblate".